混合动力核心再生制动的百年故事

再生制动能够回收约一半原本因摩擦以热能形式损失的能量,带来 10%-25% 的效率提升.
再生制动能够回收约一半原本因摩擦以热能形式损失的能量,带来 10%-25% 的效率提升.

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再生制动是一种能量回收机制,在车辆行驶减速时将动能转化为电能并储存起来.电动机制动时充当发电机;原本因摩擦以热能形式损失的能量被写入电池.这一作为混合动力汽车最具辨识度的部件的想法,其历史远不止1997年的普锐斯,而是一直追溯到1900年代和铁路.

亮点

  • 再生制动可回收制动中损失能量的大约一半,这相当于10%-25%的效率提升.
  • 1901年Lohner-Porsche Mixte是首款混合动力的范例,它将变速器转换为发电机来制动,并产生420伏的电压.
  • 1997年丰田普锐斯通过计算机控制的协调,将再生制动推向了量产成熟阶段.
  • 由于制动盘、制动卡钳和制动片的负荷减少,制动系统的寿命显著延长.

再生制动如何工作:基本原理

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在传统制动中,车辆的动能通过摩擦转化为热量,白白散逸到大气中.再生制动的目标就是拯救这部分能量:驱动电机以相反方向,即发电机模式运转.来自车轮的扭矩在电机中产生电流,该电流通过三种方式之一储存:以化学方式储存在电池中,以电学方式储存在电容器中,或以机械方式储存在飞轮中.在混合动力汽车中,实际上总是选择第一种方式.

这里有一个细微但重要的技术区别.如果能量通过电机回收,然后在电阻中以热能形式释放,这被称为电阻制动或动态制动;这在火车上仍然很常见,它并不能节省能量,只是节省制动片.如果能量被写入储存装置,那就是再生制动.从工程师的角度看,两者物理原理相同,只是电力管理不同.

还需要从一开始就明确系统的局限.再生制动单靠自身无法安全地使车辆停下;随着车速降低,发电机效应减弱,在低速时必须启用摩擦制动.可衡量的收益很明确:制动中损失的能量约有的一半被回收,这在整体能量平衡中意味着 10%-25%的效率提升 .此外,由于制动盘、卡钳和制动片承受的负荷下降,制动系统的寿命显著延长;混合动力车主更换制动片的间隔之所以较长,并非没有原因.

想法的诞生:从电动车流到有轨电车

再生制动的根源远早于汽车.1886年,Frank J. Sprague创立的Sprague Electric Railway & Motor Company除了推出固定电刷且无火花的电机外,还引入了再生制动.1890年代,巴黎的Louis Antoine Krieger将马车改装为前轮驱动的电动车;Krieger电动Landaulet车的每个前轮都装有一台双线绕组的驱动电机,这种绕组结构使再生制动成为可能.

早期应用中还包括一战期间在英国出现的Orwell电动卡车:由驾驶员启用的再生制动在载货卡车上是一种罕见的精巧技术.在铁路方面,1903至1908年间John S. Raworth的牵引专利为英国电车运营商带来了自动再生控制;德文波特于1903年、伯明翰和水晶宫-克罗伊登线路于1906年将电机作为发电机运行以实现车辆制动.1911年Rawtenstall发生一起严重事故后,这种牵引方式被叫停;该系统直到二十年后才得以回归.

早期电动汽车也尝试过这一理念.Baker Electric Runabout和Owen Magnetic采用了再生制动,但驾驶员需要通过一个拨动开关手动切换模式,实际上只在下坡路段才发挥作用.同一控制器位置既用于动力又用于制动是一个严重的安全问题:1948年在瑞士Wädenswil的一起火车事故中,驾驶员想刹车时却误加了油门, 造成21人死亡.这起悲剧以最惨痛的方式表明了该系统为何离不开完全自动化.

在铁路上的成熟

20世纪30年代初,巴库-第比利斯-巴统线路上的外高加索铁路成为最早在铁路上使用再生制动的实例之一;在陡峭而危险的Surami山口,下坡能量被回馈到电网.1936年,通用电气(General Electric)的试验性蒸汽轮机机车通过让蒸汽水穿过电阻组的表面,真正实现了能量回收.在汽车领域之前,轨道系统正是证明这项技术可靠性的试验场.

Lohner-Porsche: 混合动力与再生制动的共同诞生

Ferdinand Porsche设计了第一辆混合动力汽车,并于1900年展示了其原型.Lohner-Porsche Elektromobil最初在1900年巴黎博览会上以纯电动汽车的身份亮相.随后的Semper Vivus配备了为电池充电的发电机和再生制动;Porsche的设计允许将来自发电机的电路反向运行.也就是说,混合动力和再生制动在历史上同时、在同一张桌子上诞生.

1901年的Mixte将这一理念具体化.该车拥有三个可更换的档位,并且可以将它们转换为发电机用于制动;在这种制动过程中 会产生420伏的电压 ,这在当时的汽车上是一项令人瞩目的电气壮举.Mixte以56公里/小时的最高速度创下多项纪录,1902年Porsche驾驶混合动力的Lohner-Porsche Mixte赢得了Exelberg拉力赛.1901年底,Ludwig Lohner和Ferdinand Porsche售出五辆Mixte,取得了令人瞩目的商业成果.

这里有一个惊人的工程事实:保时捷所建立的核心理念,即在制动时将驱动电机转变为发电机并储存能量,正是今天混合动力汽车所使用的原理.技术已经成熟且正确,但需要大约八十年时间和几个关键突破才能完全发展.

一个多世纪之后:1997年普锐斯与实用成熟

尽管1916年的Woods Dual Power被定义为将汽油发动机与电动电机结合的混合动力车,混合动力电动汽车直到1997年才得以普及.转折点出现在丰田汽车公司开发出世界上首款量产混合动力汽车丰田普锐斯的那一年.普锐斯的设计为了提高能源效率,将再生制动直接纳入动力传动系统布局.

普锐斯真正的贡献在于协调.考虑到液压制动在能量方面的弱点,人们开发了一套全新的协调系统,在液压制动与再生制动之间进行切换.该系统由计算机控制:当驾驶员踩下制动踏板时,电机首先切换到发电机模式,当再生制动不足时,摩擦制动器立即介入.用户感觉不到这一过程;能量则流入电池而非转化为热量.1967年,AMC Amitron成为首个在踩下制动踏板时电机控制器自动开始为电池充电、整个过程完全自动化的案例;普锐斯将这种自动化提升到了量产可靠性水平.而GM EV-1则是首款同时管理再生制动和摩擦制动的商用汽车,1997至1998年间还获得了两项线控制动技术专利.

同一浪潮的另一位先驱是本田Insight.1999年在美国销售时,这款时尚的双座汽车是首款同时依靠电力和汽油动力驱动的汽车,并创下了多项效率纪录.普锐斯的再生制动比本田的更明显,而Insight在使用便利性和操控性方面表现出色;但成为标志性产品的还是普锐斯,再生制动作为混合动力的定义性特征从此永久确立.

电池的决定性作用:从镍氢电池到锂离子电池

在再生制动走向成熟的过程中,电池技术与电机同样重要,甚至更为关键.一百年前,尽管保时捷能够产生420伏的制动电压,却没有能够持久且安全地储存能量的电池.在混合动力汽车中成为标准的镍金属氢化物(NiMH)化学体系,其能量密度高于铅酸电池、低于锂离子电池;但对于在再生制动中经历持续快速的部分充电循环的电池而言,它的优势绰绰有余.

特性镍氢电池锂离子电池
能量密度中等高
每瓦时成本更便宜更昂贵
充电循环寿命更高更低
温度耐受性更好更敏感
典型用途传统混合动力插电式混合动力与纯电动

总结如下:镍氢电池更便宜、能承受更多充电循环、耐热且安全,因此非常适合传统混动车的再生制动循环.锂离子电池在重量能量密度上已超越镍氢电池,因此成为需要较长纯电续航的插电混动和纯电动车的主导化学体系.孰优孰劣取决于使用场景;对于再生制动的充电曲线而言,镍氢电池仍然是强有力的选择.

插电时代与现状

在插电混动时代,再生制动已成为效率链条的核心.丰田Prius Plug-in Hybrid和RAV4 Plug-in等车型的电池完全由发动机和行驶过程中的再生制动来充电;除插电外没有其他能量来源.福特Escape PHEV将再生制动作为提升效率的主要技术之一进行宣传,并强调更低的油耗.而在2026款起亚Sportage HEV、斯巴鲁Crosstrek Hybrid、现代Santa Fe Hybrid和日产Rogue Plug-in Hybrid等车型上,再生制动则被作为一项突出的效率特性进行营销,尤其在走走停停的路况中表现突出.

监管层面也跟上了技术的发展.部分车型在再生制动时不会点亮刹车灯,而大多数法规并未对此作强制要求;中国2025年颁布的GB 21670-2025标准规定,当再生制动导致的减速度超过1.3 m/s²时,必须点亮刹车灯.另一方面,单踏板驾驶的争论仍在继续:高再生强度能带来更长的纯电续航,但在紧张时刻驾驶员误将油门当作刹车的风险加剧了对突然意外加速的担忧.系统的能量账已经算清,剩下的问题是人机交互界面.

结语:一个百年构想的当今成绩单

再生制动的发展脉络是汽车技术中罕见的例子:核心构想早在1901年就已正确,欠缺的只是电池化学、电力电子和控制自动化.从Sprague到Krieger,从Raworth到Prius,这条演进路线的每一次跨越都可以用一次技术突破或某个部件的成熟来解释.如今,这一支撑着混动车大部分销量的机构能够回收制动中损失能量的约一半,延长刹车寿命,并带来10%至25%的效率提升.一个拥有120年历史的构想,其最高效的时代,正是我们现在所处的时代.

参考资料